ES2387484B1 - Sistema de multiespectral de barrido. - Google Patents

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Abstract

El objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de barrido lineal de tamaño compacto que se pueda utilizar en sistema de ondas milimétricas, terahercios y microondas, y que además pueda proporcionar información, multiespectral, es decir que el sistema no sea selectivo respecto a la longitud de onda de la radiación incidente. El objetivo del sistema es recibir la radiación del espectro electromagnético, convertir el patrón de barrido cónico en lineal y focalizar dicha radiación en un detector puntual, lineal o matricial.#La invención utiliza dos espejos enfrentados, un primario (1) y un secundario (2). Se denomina primario al primero en reflejar la radiación de la escena y hacerla converger en el secundario. Los dos espejos giran en sentido contrario a la misma velocidad y tienen sus ejes de rotación alineados.#La superficie del espejo primario es siempre cóncava (esférica, parabólica, hiperbólica, elipsoidal, asférica) con objeto de hacer converger la radiación en el espejo secundario.#La superficie del espejo secundario puede ser plana, cóncava o convexa (esférica, parabólica, hiperbólica, elipsoidal, asférica).#Existen dos posibilidades para la colocación del detector, entre los dos espejos o detrás del espejo primario (3).

Description

SISTEMA MULTIESPECTRAL DE BARRIDO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere, en general, al campo de la ingeniería óptica y en particular al de los sistemas de barrido para formar imágenes. El sistema de barrido objeto de esta invención puede operar con una velocidad de refresco suficiente para considerarlas de tiempo real y en un amplio rango de longitudes de onda entre las que se encuentran las milimétricas, terahercianas, infrarrojas y microondas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
Un requIsito deseable en cualquier sistema de barrido para fonnación de imágenes es barrer la escena con un patrón lineal y con la mayor rapidez posible. Una manera sencilla de conseguirlo es por medio de espejos planos en movimiento. Dichas soluciones basadas en espejos pueden ser variadas, y entre las más comunes están un espejo oscilante (de una sola cara) movido por medio de distintos dispositivos como por ejemplo de tipo galvanométrico, o un polígono rotatorio con múltiples caras espejadas. Estas técnicas se emplean en sistemas que trabajan con radiación de longitudes de onda pequeñas tal como el infrarrojo o el visible.
En el infrarrojo las aperturas ópticas son típicamente del orden de 100 mm y con
la ayuda de lentes se reducen a aperturas efectivas para el sistema de barrido típicamente un orden de magnitud menor. En los sistemas de ondas milimétricas las aperturas son del orden de 500 mm de diámetro, tamaño que no hace posible ni el uso de espejos planos oscilantes ni de polígonos rotatorios.
Es conocida la posibilidad de lograr un barrido lineal utilizando dos discos reflectores que giren en sentido opuesto a la misma velocidad, estando inclinados con respecto a sus ejes de rotación un ángulo idéntico para ambos. Un disco reflector inclinado con respecto a su eje de giro produce por sí solo un patrón de barrido cónico. Sin embargo, cuando la radiación alcanza el segundo espejo, el patrón cónico se puede convertir en lineal si los ejes y la fase de rotación entre ambos están correctamente ajustados.
Así ocurre por ejemplo con la patente "Scanning Apparatus", de Alan H. Lettington, (US 7,154,650 B2). Dicha patente describe cómo dos discos reflectores montados en estructuras con ejes de giro independientes y no alineados, giran a la misma velocidad en sentido contrario. La radiación llega a uno de los espejos, que la refleja al segundo espejo, que a su vez la devuelve al primer espejo. Este finalmente la envía a una zona donde se ubica el detector. Con el fin de lograr barrer la escena, ambos espejos están inclinados respecto a sus ejes de rotación. Para conseguir un barrido lineal se ha de satisfacer a = 2 ecos cp, donde el primer espejo está inclinado un ángulo n, el segundo espejo está inclinado un ángulo 0, y lp es el ángulo que fonnan entre si los ejes de rotación de los espejos.
La configuración de la patente US 7, 154,650 82 tiene la ventaja de no utilizar ningún elemento selectivo en frecuencia (polarizador lineal, lámina lambda cuartos, rotador de Faraday, etc.), pero el hecho de que ambos ejes de rotación estén desalineados, penaliza el tamaño final del sistema.
Existe otra patente similar de Alan Lettington (WO 03/009048 Al). que precisamente consigue compactar el sistema haciendo coincidir los ejes de rotación de ambos espejos. El sistema consta de dos cuerpos que giran en sentido contrario a la misma velocidad. El primer cuerpo contiene un polarizador y dos láminas de cuarto de onda, mientras que el segundo cuerpo es un espejo. La radiación llega al primer cuerpo con una polarización adecuada para atravesarlo y ser reflejada por el segundo cuerpo, de tal forma que cuando vuelve al primer cuerpo su polarización es ortogonal a la polarización de transmisión del polarizador lineal, lo que provoca que sea reflejada hacia el espejo. Después de este segundo reflejo en el espejo, la radiación vuelve a tener la polarización adecuada para atravesar el primer cuerpo y dirigirse finalmente hacia el detector. La inclinación del primer cuerpo es el doble que la del segundo, para compensar las veces que la radiación refleja en cada superficie y conseguir un barrido lineal. La invención WO 03/009048 A I permite lograr un sistema más compacto que la US 7,154,650 82, pero presenta está en desventaja por dos motivos. El primero es que al utilizar componentes selectivos de frecuencia (láminas de cuarto de onda y polarizadores lineales) su rango de detección está limitado y por lo tanto no sirve para cualquier detector (visible, infrarrojo, milimétricas, etc.). El segundo motivo es que la relación señal-ruido empeora, debido principalmente a las pérdidas intrínsecas por transmisión de las láminas de cuarto de onda.
Por otro lado, es bien conocido que en radio astronomía se utilizan los
telescopios de espejos enfrentados: un primario (ej.: parabólico) y un secundario (ej.: hiperbólico). Así se consigue reducir la longitud del telescopio con el inconveniente de que el segundo espejo impide el aprovechamiento de la luz que entra en la zona del eje.
Esta invención propone utilizar la configuración de dos espejos enfrentados, ampliamente utilizada en astronomía y radio astronomía, y hacerlos girar en sentidos opuestos a la misma velocidad. Ambos están inclinados con respecto a sus ejes de giro para poder barrer la escena. Esta invención permitirá tener un sistema de barrido más compacto que los de las patentes anterionnente citadas, y además recoger radiación de una amplia zona del espectro electromagnético.
DESCRIPCiÓN GENERAL DE LA INVENCiÓN
El objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de barrido lineal de tamaño compacto que proporcione información multiespectral, es decir, que no sea selectivo respecto a la longitud de onda de la radiación. De esta manera el sistema de barrido será compatible con emisores y/o detectores de ondas milimétricas, terahercios. infrarrojos y microondas. El sistema está formado por una primera superficie reflectora denominada espejo primario que refleja la radiación de la escena y la hace converger y una segunda superficie reflectora denominada espejo secundario que recibe dicha radiación concentrada y la hace focalizar en un detector puntual, lineal o matricial
Para ello se va a recurrir a una configuración óptica muy utilizada en astronomía (radiación visible) y radio astronomía (radio frecuencia).
La invención utiliza dos espejos enfrentados, un primario y un secundario, cuyos ejes de giro se encuentran alineados. La novedad de esta invención radica en inclinar estos dos espejos respecto al eje de rotación y hacerlos girar en sentido contrario a la misma velocidad angular. Además, la inclinación de ambos espejos es idéntica, ya que la radiación se refleja el mismo número de veces en el espejo primario y secundario.
La superficie del espejo primario es siempre cóncava (esférica, parabólic~ hiperbólica, elipsoidal, asférica), con objeto de hacer converger la radiación en el espejo secundario. La superficie del espejo secundario puede ser plana, cóncava o convexa (esférica, parabólica, hiperbólica, elipsoidal, asférica).
Existen dos posibilidades para la colocación del detector, entre los dos espejos o detrás del espejo primario. Colocar el detector entre los dos espejos facilita poder utilizar un elevado número de antenas y cubrir un amplio campo de visión. Por otro lado colocar el detector detrás del espejo primario elimina cualquier restricción de espacio a la hora de integrar un sistema radiante como por ejemplo un cabezal radar o un sistema ladar o lidar. De esta forma el sistema puede emitir radiación que distribuirá en la escena con un patrón de barrido lineal, y al mismo tiempo recogerá la radiación tal y como se ha descrito anteriormente.
Entre las múltiples configuraciones que permite esta invención se encuentran aquellas que utilicen elementos separadores de haz. Estos pueden tratar con los diferentes estados de polarización de la radiación y/o con los diferentes rangos espectrales. De esta manera esta invención puede proporcionar información multiespectral, polarimétrica y espectrométrica.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura I muestra un sistema que sigue la configuración en la que el detector está colocado detrás del espejo primario. El espejo primario l es cóncavo, mientras que el secundario 2 es convexo. La radiación focaliza en eje detrás del espejo primario en 3. Esta configuración, sin que pueda ser considerada como una restricción de la invención, está pensada para facilitar la integración de un detector de un solo píxel y/o para una cabeza de radar o un sistema ladar o lidar.
La figura 2 muestra un sistema que sigue la configuración en la que el detector está colocado entre los dos espejos. En este caso el espejo primario 1 es cóncavo y el secundario 2 es plano. Esta otra posible configuración está pensada para un sistema que utiliza una línea dc antenas aunque en la figura solamente se representa el trazado de los rayos que corresponden con la antena central y las dos antenas de los extremos de la línea.
La figura 3 muestra un sistema que utiliza un dispositivo para separar el haz en dos haces con polarizaciones ortogonales entre sí. Este caso es un ejemplo de la configuración descrita en figura 1, pero se podría aplicar a la configuración descrita en la figura 2. El espejo primario es (1), el secundario es (2). Cuando la radiación llega al separador de haz (ej.: polarizador lineal 3), éste filtra una componente del campo
eléctrico (que representa aproximadamente el 50% de la energía) y rechaza la
componente ortogonal. Colocando las dos antenas (4 y 5) con polarizaciones
ortogonales entre sí, se integra mayor cantidad de energía para cada punto de la escena
barrido y consecuentemente se mejora la sensibilidad térmica de la imagen. Otro
5
ejemplo sin carácter limitativo es utilizar uno o varios dispositivos que separen el haz
filtrando la radiación de una longitud de onda determinada (ej.: milimétrica) y
reflejando radiación correspondiente a otra (ej.: infrarroja), para posteriormente redirigir
cada uno de los diferentes haces a diferentes detectores y de esa forma lograr imágenes
multiespectrales.
lO
El movimiento de ambos espejos se puede esclavizar mecánicamente utilizando
un único motor y una transmisión de tres corona... dentada... con fonna de U. Esta
transmisión tiene un acoplamiento para cl eje del motor y dos ejes de salida que giran en
sentido opuesto y que comparten el centro geométrico de rotación. Para ello uno de los
15
ejes está metido dentro del otro que cs hucco. El principal inconveniente de esta
solución mecánica es que el eje de rotación coincide con el eje óptico y obstruye parte
de la radiación que se de otra forma convergería en el punto focal. Por esta razón se
propone una solución mecánica que prescinda de utilizar el eje de giro geométrico para
dar arrastre a Jos espejos.
20
La figura 4 muestra una posibilidad de montaje mecánico para la configuración
óptica de la figura 2, sin que pueda ser considerada como una restricción de la
invención. Ambos espejos (7 y 8) están esclavizados electrónicamente ya que cada uno
tiene acoplado un motor que les hace rotar (5 y 6) Y un sensor de posicionamiento. De
25
esta forma el dispositivo que gobierna el movimiento de los motores es capaz de
detectar y corregir posibles desviaciones en el sincronismo. El espejo (8) está sujeto
mediante nervios que salen de su perímetro exterior, a un anillo colocado parcialmente
dentro de un rodamiento (2) y al que simultáneamente se le trasmite el movimiento a
través de una corona dentada (3). Los motores y la estructura (4) están amarrados a un
30
mismo chasis (1).
DESCRIPCiÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
La figura 5 muestra la posibilidad preferida de montaje mecánico para esta
35
invención, sin que pueda considerarse como una restricción a la misma. En esta ocasión
ambos espejos (5 y 8) estan esclavizados mecánicamente a través de un conjunto de
coronas de transmisión (9). El acoplo del motor (7) puede hacerse bien directamente, o a
través de una primera etapa de transmisión del movimiento a 900 respecto del eje del
motor. En la siguiente etapa se mueve una corona (10) que a su vez trasmite el
40
movimiento a otras dos coronas (11 y 12) perpendiculares con respecto a (10). Cada una
de estas coronas está fijada a un eje que en el otro extremo mueve otra corona, que es la
que transmite el movimiento a cada uno de los discos rotatorios. De esta forma, sólo es
necesario emplear un motor. Además al estar ambos espejos esclavizados
mecánicamente, se prescinde del esclavizado electrónico. Otra ventaja importante es
45
que esta configuración permite colocar el detector/es tanto entre los dos espejos como
detrás del espejo primario (5) previo mecanizado de una apertura central. Esta
realización es la preferida por ser la más polivalente, ya que pennite integrar fácilmente
cualesquiera quc sean los detectores y/o sistemas radiantes que elegidos.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema óptico compacto multiespectral formado por una primera superficie reflectora denominada espejo primario que refleja la radiación de la escena y la hace converger y una segunda superficie reflectora denominada espejo secundario que recibe dicha radiación concentrada y la dirige al detector, para el barrido lineal de la escena, caracterizado por:
    i) Que ambas superficies reflectoras denominadas espejo primario y espejo secundario están enfrentadas y giran en torno a sendos ejes de giro que pasan por sus respectivos centros y con cierto ángulo de inclinación respecto a la perpendicular a la superiicie.
    ii) Que ambos ejes de giro correspondientes a ambas superficies están alineados y giran en sentido contrario con la misma velocidad angular. iii) Que la radiación es focal izada en un detector.
  2. 2.
    Un sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según reivindicación 1 caracterizado por que el ángulo de inclinación de ambos espejos respecto a sus ejes de giro es idéntico.
  3. 3.
    Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según reivindicación I caracterizado por que comprende detectores puntuales, lineales o matriciales.
  4. 4.
    Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según reivindicación I caracterizado por que comprende uno o varios detectores en canales de detección simultáneos, alternativos o sucesivos, de las bandas espectrales de las microondas, ondas milimétricas, terahercios, infrarrojos, visible o ultravioleta.
    S. Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según rei vindicación 1 caracterizado por que comprende un sistema radiante para distribuir la radiación emitida por la escena con un patrón de barrido lineal al mismo tiempo que recoge la radiación.
  5. 6. Sistema óptico compacto muItiespectral para el barrido lineal de la escena según rei vindicaciones 3 a S, caracterizado por que la radiación converge entre los espejos primario y secundario, donde se sitúan los detectores
    o los sistemas radiantes.
  6. 7.
    Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según rei vindicaciones 3 a 5, caracterizado por que el espejo primario tiene una apertura central y la radiación converge tras el espejo primario, donde se sitúan los detectores o los sistemas radiantes
  7. 8.
    Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según reivindicación 1, caracterizado por la inclusión de un dispositivo
    en la trayectoria óptica que separa el haz en dos o más haces cada uno de los cuales converge en un detector puntual, lineal o matricial.
  8. 9. Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de
    5 la escena según la reivindicaciones 1 y 8, caracterizado por que el dispositivo separador de haz es un polarizador y porque los distintos detectores son sensibles a los estados de polarización.
  9. 10. Sistema óptico compacto mu ltiespectral para el barrido lineal de
    10 la escena según reivindicación 1 y 8, caracterizado por que para cada uno de los haces se colocan detectores sensibles a los distintos rangos espectrales.
  10. 11. Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de
    la escena según reivindicación 1 caracterizado por esclavizar el movimiento de 15 los espejos primario y secundario a través de una transmisión mecanica.
  11. 12. Sistema óptico compacto multiespectral para el barrido lineal de la escena según reivindicación I caracterizado por esclavizar electrónicamente el movimiento de los espejos primario y secundario.
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